基于TCS230顏色傳感器的內瘺出血報警裝置設計

陳興富，鐘小仕，黃垂文，許世林，吳若梅，劉巖

1. 廣州市紅十字會醫院，廣東 廣州 510220；2. 中山大學腫瘤防治中心，廣東 廣州 510060

引言

在血液透析治療過程中，動靜脈內瘺作為最常用的血管通路，在使用的過程中存在多種因素導致其滲血或大出血[1]。在實際臨床上，由于透析病人躁動或無意識的改變體位，都有可能引起動靜脈穿刺針的脫落或穿刺部位滲血，如未能及時發現處理則極容易造成醫療事故。對于這種情況，目前只能通過加強護理人員的巡視或加強對病人的約束[2]，或在日常宣教中交待治療過程中的注意事項，如透析過程中避免大幅度移動穿刺側肢體、翻身，以免引起導管牽拉，導致穿刺針脫落[3]。即便如此，仍然不能杜絕穿刺針脫落的可能。由于血泵轉速高，如發生動脈脫針，往往等到空氣從動脈管進入，到達空氣監測器才發出報警[4]。如出現靜脈針脫落的情況，需要等到靜脈壓力下降到透析機報警限才能觸發報警，短時間內將流失幾百毫升血液，導致嚴重的醫療事故發生[5]。目前，透析機通過監測動靜脈壓力變化來判斷外周血液循環是否安全，即動脈壓和靜脈壓的每個壓力值都有一個高限報警和一個低限報警，而實際壓力值處于兩個報警值之間，實際值是動態波動的。從臨床應用上看，該方法是有效、安全的，但還是存在缺陷：當靜脈端脫針時，在血泵高速轉動的作用下，針尖在血管里面的壓力和在體外的壓力差別不大，脫針導致的壓力變化不能觸發透析機報警。針對現有技術的不足，本裝置的目的在于提供一種結構合理的基于TCS230顏色傳感器的內瘺出血報警裝置設計，保障患者透析治療安全。

1 裝置整體結構

本裝置整體結構，見圖1。本裝置可分為穩壓電源、單片機、顯示屏、報警裝置、檢測探頭等幾部分。

圖1 硬件設計框圖

2 硬件設計

2.1 基本原理

TCS230顏色傳感器具有濾波功能，當選定一個顏色濾波器時，它只允許某種特定的原色通過，阻止其它原色的通過[6-7]。準確率高、誤報率低是我們所要追求的，紅色濾波器在檢測暗紅色血液時不夠靈敏，這就需要對顏色進行全面識別。

TCS230根據光的三原色機理就能進行顏色識別[8]，TCS230顏色傳感器測量的是RGB的頻率值[9]，芯片內部集成了積分式A/D轉換器，采用數字信號輸出, 因此抗干擾能力比同類芯片強[10]。選用TCS230顏色傳感器制作顏色分辨濾波器時，只需通過接通不同引腳即可開通不同的濾波方式，不同的顏色對應不同的頻率。其中，TCS230管腳功能表，見表1[11]。

表1 邏輯功能表

2.2 算法補償

TCS230 顏色傳感器是一種具有數字兼容接口的顏色傳感器，因此可以不通過額外設計A/D轉換電路，就能使用單片機控制直接對數字信號進行采樣[12]。光線的強弱直接影響到TCS230顏色傳感器的輸出。在本設計檢測之前需要進行白平衡調整，這是因為檢測需要有穩定的亮度和色度值做判斷依據[13]。當第一次使用系統、更換光源或者重啟TCS230傳感器識別模塊等情況時，需要進行白平衡調整[14]。考慮到本裝置的使用環境，無法在密閉的環境內進行，可以粗略地進行白平衡調整。在本設計中，白平衡調整前先制作好平衡光源的供給，然后準備一根直徑約10 mm的透明玻璃管放置在傳感器的上方，另外一端接一個白色的光源，使入射光能夠穿過試管照射到TCS230芯片上（圖2）。TCS230顏色傳感器的輸出端直接接到單片機中，依次選通紅色、綠色和藍色濾波器，當計數到255時停止計數，分別計算每個通道所用的時間。這些時間對應于實際測試時TCS230每種濾波器所采用的時間基準，在這段時間內所測得的脈沖數就是所對應的R、G和B的值，一般用于測量靜態物體顏色。

圖2 白平衡調整

因為本設計應用在一個開放性的環境，受外界光線影響大，而且血液的顏色也有暗紅和鮮紅之分，所以通過在距離傳感器10 mm處測量若干個相近的“血液”顏色的色卡來驗證。

2.3 夾管閥電路設計

夾管閥電路設計如圖3所示。由單片機IO口輸出低電平控制夾管閥的電磁閥，采用了光電耦合的方式實現。夾管閥的設計是非常有必要的，利用電磁閥通電吸合的原理，觸發報警后夾閉血路管，防止血液繼續流失，并促使血液透析機感知到壓力升高觸發報警，停止血泵繼續轉動，有效地保證病人安全。

圖3 管路夾電路圖

2.4 報警器設計

報警器的設計相對簡單，主要是利用單片機輸出低電平來驅動蜂鳴器工作。報警器電路圖如圖4所示。

圖4 報警器電路圖

3 軟件實現

本文中漏血檢測是通過TCS230顏色傳感器感知到紅色來判斷為漏血的。實驗開始時，傳感器進行初始化，當傳感器接收到符合紅色的RBG值時觸發報警，發出聲光報警并夾閉管路，直到接收到解除報警的復位指令。該報警裝置的軟件處理框圖，見圖5。

4 模擬測試及臨床試驗

4.1 模擬測試結果

通過紅色色卡模擬血液進行測試，將選取40 mm×40 mm色卡放置到傳感器上方（圖6）。模擬測試的實驗結果，見表2。結果顯示，傳感器與被檢測物體距離為5 mm時，響應靈敏度為最高，隨著被檢測物體距離增加，響應靈敏度逐漸降低，當被檢測物體超過25 mm時，無法檢測。原因可能是傳感器和色卡沒有做成密閉檢測方式，同時受平衡光源和外界光線的干擾影響。

圖5 軟件處理框圖

圖6 實驗設計原理圖

表2 實驗數據表

4.2 臨床試驗

在結合原理論證的基礎下，做出了實驗樣機來驗證臨床上的使用效果，樣機設計主要包括：顏色分辨傳感器、液晶顯示模塊、單片機、聲光報警裝置、托盤、魔術貼、透明塑料底板和管路夾。具體實施過程如圖7所示。傳感器與被監測手之間采用透明塑料隔開，防止血液直接接觸到傳感器，傳感器與手之間的間距為5～15 mm時最佳。實驗開始后將穿刺后的手平放到透明塑料底板上，將需要監測的部位放置到檢測傳感器上方，把透析血路管安放至管路夾中，固定好魔術貼。

圖7 初樣圖

實驗樣機啟動后，檢測傳感器數據初始化，檢測傳感器上的LED開啟，為檢測傳感器提供平衡光源。當出現出血時，血液流到傳感器檢測范圍將被感知，機器將發出聲光報警，并夾閉血路管，防止血路管的血液丟失，同時因為夾閉后，使得血路管內壓力升高，從而觸發透析機靜脈壓高限報警，停止血泵繼續轉動，防止血泵轉動造成血路管內壓力過高，血液凈化是利用透析器膜間壓力來實現彌散、對流，當膜表面壓力超過耐受壓后將會導致膜破損。經過臨床研究表明[16]，內瘺出血報警裝置的設計方案有效可行，本裝置發出報警后到透析機聯動報警僅需5 s。從臨床實際應用中可以看出，傳感器上方鋪墊一張白色紡紗能增加報警的靈敏度，因為血液觸碰到紡紗時呈放射狀擴散，增大了傳感器檢測的覆蓋有效面積。檢測傳感器上加裝LED，為傳感器提供平衡光源，即使棉被覆蓋住病人的手都可以正常監測。

5 結論

基于TCS230顏色傳感器的內瘺出血報警裝置設計的創新之處在于通過顏色分辨的原理，對穿刺部位滲血或穿刺針脫落的情況有效及時地發出報警，并夾閉血路管，把患者血液丟失量降到最低，同時與透析機發生聯動報警，降低醫療風險，保證患者安全。以往的研究存在以下局限性：雖能發出報警，但未能做出其他處理，如未能第一時間夾閉血路管，在醫護人員聽到報警趕到現場處理的過程中未能把病人的危險系數降低；不能和透析機發生聯動報警，透析機繼續正常轉泵的情況下，血液流失得更快或者引入大量的空氣，導致血液空氣栓塞。本研究下一步需要解決的是該裝置的舒適性和方便性，最好是能與透析機融合一體，作為透析機一個輔助報警功能。